Impact des fermes éoliennes sur la stabilité de tension dans les réseaux électriques

(1)

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ﻲـــــــــﻤـﻠﻌﻟا ﺚـــﺤﺒـﻟا و ﻲـــﻟﺎﻌﻟا ﻢــــﯿﻠـﻌﺘﻟا

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

ﻌﻣﺎﺟ

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UNIVERSITE FERHAT ABBAS — SETIF

UFAS (ALGERIE)

Mémoire de Magister

Présenté au département d’Electrotechnique

Faculté de Technologie

Pour obtenir le diplôme

De Magister En Electrotechnique

Option :

Réseaux électriques

Par

:

M

me

.

CHELLIG SAMIA

Thème

Impact des Fermes Eoliennes sur la Stabilité De Tension

dans les Réseaux Electriques

Soutenu le

26 juin 2012

devant la commission d’examen composée de :

M. HACHEMI Mabrouk Professeur à l’université de Sétif Président

M.GHERBI Ahmed Professeur à l’université de Sétif Encadreur

M. BAYADI Abdelhafid Professeur à l’université de Sétif Examinateur

(2)

ii

Dédicaces

Je dédie ce modeste travail,

A ma mère, mes sœurs et mes frères, qui depuis de si longues années, m'ont encouragé et soutenu dans la poursuite de mes études.

Je tiens aussi à exprimer mes dédicaces à tous ceux qui ont eu la gentillesse d'assister à la soutenance de cette thèse.

Mon dernier dédicace, mais non des moindres, s’adresse à mon marie SID ALI pour m’avoir donné le plus beau des fils A. Koussai, pour sa patience et l’amour qu’il a su m’apporter tout au long de cette thèse.

Sétif, le 13/10/2011

(3)

iii

Remerciements

Je tiens à remercier en tout premier lieu Dr. Ahmed GHERBI, Directeur de ce mémoire. Pour m’avoir proposé ce sujet de magister et de m’avoir aidé par ses idées et ses conseils durant toute les étapes de réalisation de ce travail

Je remercie également tous les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail :  Dr. HACHEMI Mabrouk

 Pr. BAYADI Abdelhafid  Dr. RADJEAI Hammoud

J’exprime aussi ma gratitude à mes collègues de l’université pour leur soutien et leur aide surtout les membres de l’équipe de recherche dirigé par mon encadreur pour l’esprit d’équipe qu’ils ont et qui m’a permis d’échanger des idées dans le même axe de recherche.

Je ne peux pas oublier mes enseignants pour leurs efforts durant toutes mes années d’étude dans l’université et pour leur soutien durant la réalisation de ce mémoire

Enfin je remercie toute personne de près ou de loin qui a participé pour rendre ce travail réalisable et présentable.

Sétif, le 13/10/2011

(4)

iv

Sommaire

INTRODUCTION

GENERALE

1 Chapitre 01

3 G

ENERALITES

S

UR LES

E

NERGIES

R

ENOUVELABLES

3

1.1. Introduction 3

1.2.Les différents types de l’énergie renouvlable 3

1.3. Evolution de la consommation et la production d’électricité 4

1.4.Etat De L’art Sur L’énergie Eolienne 9

1.5.Production optimale d'énergie 18

1.6.Avantages et les inconvénients de l'énergie éolienne 19

1.7. Conclusion 19

Chapitre 02

20 C

ONVERSION

D’

ENERGIE

E

OLIENNE

:

M

ODE

D

E

F

ONCTIONNEMENT

E

T

M

ODELISATION

20

2.1. Introduction 20

2.2. Technologies des éoliennes 20

2.3. Conversion électromécanique d’énergie éolienne 23

2.4. Principe et modélisation 39

2.5. Modélisation d’une turbine éolienne 39

2.6. Modèle du multiplicateur 41

2.7. Equation dynamique de l’arbre 42

2.8. Conclusion 51

Chapitre 03

52 I

MPACT

D

ES

F

ERMES

E

OLIENNES

S

UR

L

A STABILITE

DE

T

ENSION

D

ANS

L

ES

R

ESEAUX

E

LECTRIQUES

52

3.2. Stabilité des réseaux électriques 52

3.3. Différentes classifications de la stabilité 53

3.4. Qualité de production 55

(5)

v

3.6. Classification la stabilité de tension 63

3.7. Conclusion 64

Chapitre 04

65 E

TUDE DE LA

S

TABILITE DE

T

ENSION

:

F

ERMES

E

OLIENNES

A

V

ITESSE

F

IXE

65

4.2. PSAT comme outil de simulation 65

4.3. Application sur quelques réseaux tests avec et sans intégration d’éoliennes 67

4.4. Conclusion 81

(6)

vi

Liste des figures

Figure 1.1. Energie totale consommé dans le monde ... 5

Figure 1.2. Energie totale consommé aux états unis ... 5

Figure 1.3. Parts des ressources européennes pour la production d'électricité d'origine Renouvelable en 2000 ... 6

Figure 1.4. Energie consommé en France ... 6

Figure 1.5. Evolution de la production nationale 2006-2015 ... 7

Figure 1.6. Irradiation solaire globale reçue sur plan incline à la latitude du lieu ... 9

Figure 1.7. Conversion de l'énergie cinétique du vent ... 10

Figure 1.8. Composants d'une éolienne ... 10

Figure 1.9. Les éoliennes à axe horizontal : tripale_bipale ... 11

Figure 1.10. Les éoliennes à axe vertical ... 12

Figure 1.11. Les fermes éoliennes ... 13

Figure 1.12. Les éoliennes en pleine mer (offshore) ... 13

Figure 1.13. Tube de courant autour d'une éolienne [11] ... 14

Figure 1.14. Coefficient de puissance pour différents types d'éoliennes ... 15

Figure 1.15. Caractéristique : puissance – vitesse d'une éolienne de grande puissance ... 15

Figure 1.16. Génération à puissance électrique variable (Pales fixes, décrochage aérodynamique) ... 16

Figure 1.17. Génération à puissance électrique constante (Pales orientables) ... 17

Figure 1.18. Proportions des coûts d’investissement en zone terrestre [7] ... 17

Figure 1.19. Proportions des coûts d’investissement en offshore [7] ... 18

Figure 2.1. Rendement des éoliennes à vitesse fixe et à vitesse variable ... 21

Figure 2.2. Energie annuelleproduite en fonction de la vitesse du vent :... 22

Figure 2.3. Caractéristique de la puissance générée en fonction de la vitesse du vent ... 23

Figure 2.4. Structure d'une éolienne avec multiplicateur ... 24

Figure 2.5. Schéma de principe des éoliennes à étage continu Connectées an réseau ... 25

Figure 2.6. Machine synchrone connectée au réseau par un redresseur et un onduleur [20] ... 26

Figure 2.7. Machine synchrone connectée au réseau par l'intermédiaire de deux onduleurs [20] ... 26

Figure 2.8. Machine à champ radial classique (a) et machine discoïde à champ axial (b) [21] ... 27

Figure 2.9. Schéma de principe d’un onduleur de tension pour connexion an réseau [19] ... 28

Figure 2.10. Prototype de MRV non excitée [22] ... 28

Figure 2.11. MRV excitée par des courants triphasés au stator [23] ... 29

Figure 2.12. machine asynchrone a cage reliée directement au réseau sans convertisseur [20] ... 31

Figure 2.13. machine asynchrone à cage à double stator reliée au réseau sans convertisseur [29] ... 32

(7)

vii Figure 2.15. La machine asynchrone connectée an réseau par l’intermédiaire de deux convertisseurs : Redresseurs

+ onduleur [20] ... 33

Figure 2.16. La machine Asynchrone a cage connectée au réseau par deux Onduleurs... 33

Figure 2.17. Schéma développé d'un rotor à cage classique et d'un rotor de machine asynchrone "brushless" ... 34

Figure 2.18. Machine asynchrone BRUSHLESS connectée sur le réseau [30] ... 34

Figure 2.19. Machine asynchrone a rotor bobiné [31] ... 35

Figure 2.20. MADA avec un contrôle du glissement par dissipation de la puissance rotorique [32] ... 35

Figure 2.21. DFIG avec la structure de Scherbius avec cycloconvertisseur [33] ... 37

Figure 2.22. DFIG avec la structure de Scherbius avec deux onduleurs [34] ... 37

Figure 2.23. Schéma de la turbine éolienne ... 40

Figure 2.24. Structure du stator et des contacts rotoriques de la MADA. ... 43

Figure 2.25. Mode de fonctionnement de la MADA. ... 45

Figure 2.26. Représentation de l’enroulement triphasé de la MADA ... 46

Figure 2.27. Modèle de la chaîne de conversion éolienne utilisant les modèles ... 48

Figure 2.28. Représentation de la machine asynchrone triphasée ... 49

Figure 3.1. Priorités de délestage ... 56

Figure 3.2. L’îlotage ... 56

Figure 3.3. Tension de la charge en fonction des puissances active et réactive consommées. ... 58

Figure 3.4. évolution de la tension en fonction de la puissance consommé avec FP=Cste ... 59

Figure 3.5. Exemple générateur–Charge ... 60

Figure 4.1.Fenêtre de PSAT ... 66

Figure 4.2. L’éditeur de PSAT (a) et bibliothèque de simulink (b) ... 66

Figure 4.3. Réseau test de 9 jeux de barres... 67

Figure 4.4. Simulation d’un réseau de 3 générateurs 9 jeux de barres ... 68

Figure 4.5. Simulation d’un réseau de 3 générateurs 9 jeux de barres ... 69

Figure 4.6. Intégration de la ferme éolienne au réseau de 3 générateurs 9 jeux de barres ... 70

Figure 4.7. Simulation de la ferme éolienne intégrée au réseau de 3 générateurs 11 jeux de barres ... 71

Figure 4.10. Simulation de la ferme éolienne intégrée au réseau de 3 générateurs 9 jeux de barres avec AVR ... 73

Figure 4.11. Réseau de 5 générateurs 14 jeux de barres ... 74

Figure 4.12. Simulation de la ferme éolienne dans un réseau de 14 jeux de barres ... 79

(8)

viii

Liste des tableaux

Tableau 1.1. Répartition les différents types d'énergies par année ... 8

Tableau 4.1. La tension aux niveaux des jeux de barres lors de la déconnecxion de ligne 7-5 ... 69

Tableau 4.2. La tension aux niveaux des jeux de barres lors de la déconnecxion de ligne 2-4 ... 75

(9)

ix

Listes des Symboles et Acronymes

Symboles

 _{La densité volumique de l’air. (} 3

/ m

kg )

i

V La tension au jeu de barre i. (Volt )

m La masse de l’air. (kg)

v La vitesse du vent. (m /s)

 Ratio de vitesse (sans unité)

G Le gain du multiplicateur

mec

 _{La vitesse mécanique de la génératrice (rad/s)}

g

J L’inertie de la génératrice (kg.m2)

g

C Le couple entraînant la génératrice

vis

C Le couple des frottements visqueux (N.m)

f Coefficient de frottement visqueux (sans unité)

Acronymes

MAS Machine Asynchrone

MADA Machine Asynchrone à Double Alimentation

MRV Machine à Réluctance Variable

MLI Modulation de Largeur d’Impulsions

GTO Gate Turn Off thyristor (le thyristor commandé à l’ouverture)

(10)

INTRODUCTION GENERALE

1

INTRODUCTION

GENERALE

L'énergie est un facteur essentiel pour le développement et l'évolution des sociétés humaines que ce soit sur le plan de l'amélioration des conditions de vie que sur le développement des activités industrielles. Elle est devenue une forme d'énergie indispensable par sa souplesse d'utilisation et par la multiplicité des domaines d'activité où elle est appelée à jouer un rôle. Ces modes de production ainsi que les moyens de distribution associés sont amenés à subir de profonds changements au cours des prochaines décennies. Les crises pétrolières à relancé de nouveau la recherche et les réalisations des énergies renouvelables dans le monde. Parmi celles-ci, l’énergie éolienne qui apparaît clairement en bonne place, non pas en remplacement des sources conventionnelles, mais comme énergie complémentaire aux autres énergies. [1]

La principale caractéristique du vent réside dans sa variabilité. Il est donc important d’évaluer l’impact d’intégration des fermes éoliennes dans les réseaux électriques et en particulier, sur sa stabilité de tension qui est l’un des problèmes les plus importants lors de l'étude d’un réseau d’énergie électrique complexe. Ceci est dû au développement important des réseaux ces dernières années, mais aussi à l'objectif de ce type d'étude qui est d'examiner le comportement du réseau face à des faibles ou importantes perturbations.

Le but de ce mémoire est de modéliser les différentes technologies de la production éolienne, en vue de l’étude du comportement des réseaux électriques en régime permanent, puis en régime transitoires lors d’apparition d’une petite ou grande perturbation. Dans le cadre de ce mémoire, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l’analyse de l’impact des fermes éoliennes sur les systèmes électro- énergétiques, et sur sa stabilité de tension lors d’un régime permanent et un régime transitoire. Toutes les simulations ont été effectuées sous environnement Matlab en utilisant le PSAT (Power System Analysis Toolbox). Pour ce fait, ce mémoire s’étale sur quatre chapitres répartis comme suit :

Le premier chapitre présente les différents types d’énergies renouvelables et quelques statistiques montrant l’évolution de la production et la consommation d’électricité, particulièrement en Algérie. Ces statistiques sont suivies par des rappels sur les systèmes éoliens et les équations qui s'y rapportent ; et les concepts physiques régissant leurs fonctionnements. Puis on terminera avec ces avantages et ces inconvénients.

Le deuxième chapitre présente un état de l’art sur les principaux modes de fonctionnement d'une éolienne, à savoir la vitesse (éolienne à vitesse fixe ou variable) tenant compte les machines

(11)

INTRODUCTION GENERALE

2 électriques et leurs convertisseurs associés. Après cet état de l’art, on s’intéresse essentiellement à la modélisation globale de la chaîne de conversion de l’énergie éolienne grâce à l’utilisation des machines asynchrones de type MADA et les machines à cage d’écureuil.

Le troisième chapitre porte une étude globale sur la stabilité de tension dans les réseaux électriques : en un premier temps; présente les problèmes de la stabilité tenant compte de ses différentes classifications et ces principaux facteurs qui contribuent au problème. Ensuite, on s’intéressera essentiellement à l’étude de la stabilité de tension dans un réseau électrique avec ces différentes définitions et ces analyses.

Le quatrième chapitre présente des comparaisons entre des réseaux de test sans et avec l’intégration des fermes éoliennes fonctionnant à vitesse fixe. Des petites perturbations et des grandes perturbations ont été considérées pour étudier l’impact des éoliennes sur la stabilité de tension dans des systèmes électriques à partir de l’analyse des résultats obtenus.

Les résultats obtenus dans ces investigations, nous permettrons de conclure sur les méthodes et outils utilisés, et envisager les perspectives à ce travail.

Pour une bonne compréhension du contenu du présent mémoire, quelques annexes sont insérées à la fin. Ces annexes regroupent les paramètres d’une chaîne de conversion éolienne basée sur la machine asynchrone à cage, ainsi que les données numériques des réseaux électriques tests.

(12)

GENERALITES SUR LES ENERGIES RENOUVELABLES

3

Chapitre 01

G

ENERALITES

S

UR LES

E

NERGIES

R

ENOUVELABLES

1.1. Introduction

La consommation d’énergie, dans le courant du siècle dernier, a considérablement augmenté à cause de l’industrialisation massive, Les prévisions des besoins en énergie pour les années à venir ne font que confirmer. C’est pour cela et pour subvenir aux besoins en énergie de la société actuelle, il est nécessaire de trouver des solutions adaptées et de les diversifier. Actuellement, il y a principalement deux façons possibles d’agir : Soit diminuer la consommation des récepteurs d’énergie et augmenter la productivité des centrales énergétiques ou bien trouver et développer des nouvelles sources d’énergie ; en particulier, l’énergie éolienne. L’étude de cette énergie sera notre objectif.

Ce chapitre permet de présenter les différents types d’énergies renouvelables et quelques statistiques montrant l’évolution de la production et la consommation d’électricité, particulièrement en Algérie. Ces statistiques sont suivies par des rappels sur les systèmes éoliens et les équations qui s'y rapportent ; et les concepts physiques régissant leurs fonctionnements.

1.2. Différents types d’énergie renouvelable

Parmi les énergies renouvelables, trois grandes familles émergent : l’énergie d’origine mécanique (la houle, éolien), énergie électrique (panneaux photovoltaïques) ou l’énergie sous forme de la chaleur (géothermie, solaire thermique,…): [8]

1.2.1. Thermo solaire

Le principe consiste à transformer de l’énergie des photons solaires pour chauffer les capteurs thermiques. Ce type d’énergie à l’avantage d’être écologique, peu cher et longue durée de vie des capteurs utilisés. Par contre, leurs majeurs inconvénients, résident dans l’impossibilité de transporter l’énergie à grande distance.

(13)

4

1.2.2. Biomasse

La biomasse désigne toute la matière vivante d'origine végétale ou animale de la surface terrestre (bois, biocarburant et biogaz).C’est la ressource la plus utilisée au monde.

1.2.3. Géothermie

Elle consiste à extraire de l’énergie contenue dans le sol, dont la température varie de 3°C par 100m jusqu’à 180°C, suivant le gisement à exploiter. La géothermie présente l'avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques. C'est donc une énergie fiable et disponible dans le temps.

1.2.4. Photovoltaïque

L’énergie photovoltaïque est obtenue directement à partir du rayonnement du soleil, à partir des panneaux composés des cellules photovoltaïques à base de silicium.

1.2.5. Hydraulique

La masse de l’eau constitue une source d’énergie potentielle. Par le biais des barrages, les pays riche en cours d’eau bénéficient ainsi de cette énergie qui est propre et stockable.

1.2.6. Eolienne

La ressource éolienne provient du déplacement des masses d’air qui est dû indirectement à l’ensoleillement de la terre par le réchauffement de certaines zones de la planète et le refroidissement d’autre une différence de pression est créé et les masses d’air sont en perpétuel déplacement.

1.3. Evolution de la consommation et la production d’électricité

1.3.1. Consommation mondiales

La consommation totale d’énergie dans le monde est actuellement de l’ordre de 8 milliards de tonnes équivalent pétrole livrés en 2006. Les combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz) couvrent plus de 62% des besoins en énergie primaire, le nucléaire 17% et les énergies renouvelables 21%. [1] (Figure 1.1)

(14)

Figure

1.3.1.1. Consommation d'énergie aux états

Les États-Unis consomment 25% de l'énergie mondiales pour une population de 5% de celle du monde, le Japon consomme 5% avec une population qui représente 2% de celle de monde.

Figure

1.3.1.2. Ressources en Europe :

Objectif en Europe en 2010:

 Atteindre une production supérieure à 22% d'électricité d'origine renouvelable soit 655TWh (+80%)

 Dont la contribution de l'éolienne arrive à la hauteur de 80TW

GENERALITES SUR LES E

Figure 1.1. Energie totale consommé dans le monde

Consommation d'énergie aux états unis :

Unis consomment 25% de l'énergie mondiales pour une population de 5% de celle du monde, le Japon consomme 5% avec une population qui représente 2% de celle de monde.

Figure 1.2. Energie totale consommé aux états unis

Ressources en Europe :

Atteindre une production supérieure à 22% d'électricité d'origine renouvelable soit 655TWh

Dont la contribution de l'éolienne arrive à la hauteur de 80TWh. (Figure 1.3)

ENERALITES SUR LES ENERGIES RENOUVELABLES

5 Energie totale consommé dans le monde

Unis consomment 25% de l'énergie mondiales pour une population de 5% de celle du monde, le Japon consomme 5% avec une population qui représente 2% de celle de monde. (Figure 1.2)

Energie totale consommé aux états unis

Atteindre une production supérieure à 22% d'électricité d'origine renouvelable soit 655TWh

(15)

Figure 1.3.Parts des ressources européennes pour la production d'électricité d'origine Renouvelable

1.3.1.3. Ressources en France

En France; malgré les régimes durent favorables des bords de mer, et la compensation météorologique possible entre l'Atlantique et Méditerranée, la

puissance nominale ne dépose pas 2000 heures par an.

1.3.2. Consommation d’énergies r

Avec une production effective de 33.6TWh et plus de 245.00 Kms de réseaux de distribution le taux de couverture des besoins du pays en électricité est de 95%. Plus de 5.6millions de clients sont abonnés au réseau de la société par action SON

plus de 7000MW dont 259MW pour la filière hydraulique et sud.[1](Figure 1.5)

Parts des ressources européennes pour la production d'électricité d'origine Renouvelable en 2000

Ressources en France

En France; malgré les régimes durent favorables des bords de mer, et la compensation météorologique possible entre l'Atlantique et Méditerranée, la durée moyenne de fonctionnement des éoliennes à leur puissance nominale ne dépose pas 2000 heures par an. (Figure 1.4)

Figure 1.4.Energie consommé en France

onsommation d’énergies renouvelables en Algérie

Avec une production effective de 33.6TWh et plus de 245.00 Kms de réseaux de distribution le taux de erture des besoins du pays en électricité est de 95%. Plus de 5.6millions de clients sont abonnés au réseau de la société par action SONELGAZ son parc de production totalise une puissance installé de plus de 7000MW dont 259MW pour la filière hydraulique et 306 MW pour les réseaux isolé du

6 Parts des ressources européennes pour la production d'électricité d'origine Renouvelable

En France; malgré les régimes durent favorables des bords de mer, et la compensation météorologique moyenne de fonctionnement des éoliennes à leur

Avec une production effective de 33.6TWh et plus de 245.00 Kms de réseaux de distribution le taux de erture des besoins du pays en électricité est de 95%. Plus de 5.6millions de clients sont abonnés au LGAZ son parc de production totalise une puissance installé de 306 MW pour les réseaux isolé du

(16)

7 Figure 1.5. Evolution de la production nationale 2006-2015

Selon CREG (la Communion de Régulation d'Electricité et du Gaz) l'introduction des énergies renouvelables en Algérie peut se faire selon les approches suivantes: [3]

 Complément à l'électrification rurale pour alimentation en électricité de sites isolés.

 Hybridation de centrales diesels existantes ou nouvelles par des systèmes photovoltaïque ou par des éoliennes, selon le site et la puissance.

 Approche dictée par des considérations de politique énergétique de veille technologique ou de conformité à des engagements environnementaux .cette approche concerne notamment les filières thermiques éoliennes et cogénération.

 La valorisation à exploitation de l'électricité produite à partir de ces filières n'est pas prévue dans cette approche.

La répartition par année et selon les types d'énergie (renouvelable et cogénération) est année dans le tableau suivant:

(17)

8 Tableau 1.1. Répartition les différents types d'énergies par année

La consommation d'électricité en Algérie à augmenté durant les dernières années de 4% par an et la demande en électricité devrait à long terme croître de 7% par année .La distribution de l'électricité cannait depuis quelque années de fortes perturbation du fait d'une augmentation croissante de la demande intérieur.L'Algérie devra produire d'ici à 2010 ,7% de son électricité grâce notamment à l'énergie solaire et éolienne soit au mois 450MW. Le payé vise à exploiter les potentialités exceptionnelles d'ensoleillement pour utiliser. Mettre au point et développer les applications de l'énergie solaire à l'électrification des sites isolés (zones désertiques du sud ; notamment les 04 wilayas du sud: Adrar ; Illizi ; Tamanrasset ; Tindouf) et régions montagnes.

Année 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Solaire Thermique MW 0 0 30 30 100 100 100 100 170 170 GWh 0 0 60 60 200 200 200 200 340 340 %bilan 0 0 0.149 0.140 0.442 0.413 0.384 0.369 0.572 0.532 Eolienne MW 0 0 20 40 40 60 80 80 0 100 GWh 0 0 40 80 80 120 160 160 160 200 %bilan 0 0 0.099 0.187 0.176 0.247 0.307 0.259 0.268 0.312 Cogénération MW 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 GWh 0 350 700 1050 1400 1750 2100 2450 2800 3150 %bilan 0 0.937 1.767 2.508 3.178 3.732 4.183 4.174 4.911 5.156 Photovoltaïque MW 0.3 1.1 1.6 2.1 2.6 3.1 3.6 4.1 4.6 5.1 GWh 0.6 2.2 3.2 4.2 5.2 6.2 7.2 8.2 9.2 10.2 %bilan 0.002 0.006 0.008 0.010 0.011 0.013 0.014 0.015 0.015 0.016 Total en énergie Renouvelable MW 0.3 51.1 151.6 222.1 342.6 413.1 483.6 534.1 654.6 725.1 GWh 0.6 3522 803.2 1194.2 1685.2 2076.2 2467.2 2818.2 3309.2 3700.2 %bilan 0.002 0.943 2.023 2.844 3.808 4.404 4.888 5.392 5.766 6.016

(18)

Figure 1.6. Irradiation solaire globale reçue sur plan incline à la latitude du lieu

Des fermes éoliennes sont en projet à Tindouf;

filière hydraulique produit 1.77% de la puissance installée ; elle est constitué de 34 groupes dont la puissance unitaire varie de 1à5MW pour les basses chutes et de 12 à50MW pour les hautes chutes. L'Algérie a entrepris en matières de promotion du développement des énergies renouvelables, en programme qui contribuera à une progression de 6% d'ici 2015 à la satisfaction des besoins nationaux en énergie contre actuellement (année 2007) un taux de 0.02% au moment ou

l'Algérie permettent de courir 60fois la consommation des pays d'Europe.

1.4. Etat De L’art Sur L’énergie Eolienne

1.4.1. Définition

L’énergie éolienne fait partie des nouveaux moyens de production d’électricité décentralisée production d'électricité par cette énergie s’est considérablement développée dans le monde entier ; ceci est principalement due à deux raisons

 Produire une énergie propre.

 Trouver une source d’énergie durable alternative aux combustibles fossil

L’éolienne est un dispositif qui transforme une partie de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l'intermédiaire d'une

Irradiation solaire globale reçue sur plan incline à la latitude du lieu

Des fermes éoliennes sont en projet à Tindouf; Timimoun ; Adrar ; pour 100MW au total .La filière hydraulique produit 1.77% de la puissance installée ; elle est constitué de 34 groupes dont la puissance unitaire varie de 1à5MW pour les basses chutes et de 12 à50MW pour les hautes chutes.

trepris en matières de promotion du développement des énergies renouvelables, en programme qui contribuera à une progression de 6% d'ici 2015 à la satisfaction des besoins nationaux en énergie contre actuellement (année 2007) un taux de 0.02% au moment ou

l'Algérie permettent de courir 60fois la consommation des pays d'Europe.

tat De L’art Sur L’énergie Eolienne

L’énergie éolienne fait partie des nouveaux moyens de production d’électricité décentralisée production d'électricité par cette énergie s’est considérablement développée dans le monde entier ; ceci est principalement due à deux raisons [4] :

Produire une énergie propre.

Trouver une source d’énergie durable alternative aux combustibles fossil

9 Irradiation solaire globale reçue sur plan incline à la latitude du lieu

Timimoun ; Adrar ; pour 100MW au total .La filière hydraulique produit 1.77% de la puissance installée ; elle est constitué de 34 groupes dont la puissance unitaire varie de 1à5MW pour les basses chutes et de 12 à50MW pour les hautes chutes. trepris en matières de promotion du développement des énergies renouvelables, en programme qui contribuera à une progression de 6% d'ici 2015 à la satisfaction des besoins nationaux en énergie contre actuellement (année 2007) un taux de 0.02% au moment ou les potentialités de

L’énergie éolienne fait partie des nouveaux moyens de production d’électricité décentralisée ; la production d'électricité par cette énergie s’est considérablement développée dans le monde entier ; ceci

Trouver une source d’énergie durable alternative aux combustibles fossiles.

(19)

génératrice (Figure 1.7). Les installations de ces d

peut placées en Mer (fermes éoliennes offshore) où la présence du vent est plus régulière. [10]

Figure

1.4.2. Composants fondamentaux d'une éolienne :

Il existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement constituée de trois éléments principaux :

 Un mat : généralement

placer le rotor a une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d’être entraîné par un vent plus fort et régulier qu’au niveau du sol.

Les installations de ces derniers peuvent être réalisées sur terre peut placées en Mer (fermes éoliennes offshore) où la présence du vent est plus régulière. [10]

Figure 1.7. Conversion de l'énergie cinétique du vent

fondamentaux d'une éolienne :

Il existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement constituée de trois éléments

Figure 1.8. Composants d'une éolienne

généralement un tube d'acier ou éventuellement un treillis métallique

placer le rotor a une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d’être entraîné par un vent plus fort et régulier qu’au niveau du sol.

10 erniers peuvent être réalisées sur terre ; comme on peut placées en Mer (fermes éoliennes offshore) où la présence du vent est plus régulière. [10]

Conversion de l'énergie cinétique du vent

Il existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement constituée de trois éléments

un tube d'acier ou éventuellement un treillis métallique; permet de placer le rotor a une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d’être entraîné par un vent plus fort

(20)

11  Une nacelle : montée au sommet du mat, regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein à disque, différent du frein aérodynamique, un générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d'orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l'aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent), un système de refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l'éolienne.

 Un rotor : compose de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l’éolienne. Le rotor est entraîné par l’énergie du vent. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu. Il existe deux types de rotors :  Les rotors à vitesse fixe sont souvent munis d'un système d'orientation de pale ; ils sont aussi

connectés directement au réseau.

 Les rotors à vitesse variable sont souvent moins coûteux, une interface d'électronique de puissance entre le générateur et le réseau ou la charge est nécessaire.

1.4.3. Différents types des éoliennes

Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : celles à axe vertical et celles à axe horizontal.

1.4.3.1. Eoliennes à axe horizontal :

Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mat ; son rotor est généralement tripale. Ces dernières sont les plus employées aujourd’hui car leur rendement aérodynamique est supérieur à celui des éoliennes à axe vertical, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et ont un coût moins important.

(21)

12

1.4.3.2. Eolienne à axe vertical

Elles sont très peu mises en œuvre de nos jours. Deux structures sont parvenues au stade de l’industrialisation : Savonius et Darrieus (la plus répandue). Elles fonctionnent sur le même principe que les roues hydrauliques avec une direction du vent perpendiculaire à l’axe de rotation

Figure 1.10. Les éoliennes à axe vertical

Leur conception offre l’avantage de mettre le multiplicateur et la génératrice au sol directement. De par son axe vertical, il y a une symétrie de révolution et le vent peut provenir de toutes les directions sans avoir à orienter le rotor. Par contre, ce type d’éolienne ne peut pas démarrer automatiquement, il faut la lancer dès l'apparition d’un vent suffisamment fort pour permettre la production. Pour remplacer le palier principal du rotor, il faut enlever tout le rotor. Puis leur faible rendement et des fluctuations importantes de puissance provoquées.

1.4.4. Parc éolien important

Aussi appelés fermes éoliennes, Ces parcs peuvent se situer sur terre comme en mer ; on peut rencontrer différentes structures d’éoliennes, de génératrices et de modes de connexion au réseau. Principalement, on peut observer les structures suivantes : [19] ; [35]

 Les éoliennes raccordées, une à une, directement au réseau de distribution ou de transport.  Les éoliennes connectées ensemble par un bus continu, alimentant un onduleur assurant la connexion avec le réseau.

 Les solutions mixtes existent afin d’avoir des onduleurs de taille modérée fonctionnant proche de leurs charges nominales.

(22)

13 Figure 1.11. Les fermes éoliennes

1.4.5. Eoliennes en pleine mer (offshore)

Les éoliennes offshores sont les éoliennes placées en mer, leur installation est beaucoup plus coûteuse qu’à terre :

Figure 1.12. Les éoliennes en pleine mer (offshore)

Les mats de l’offshore doivent être étudiés pour résister à la force des vagues et du courant, la protection contre la corrosion doit être renforcée, l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés, le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles, et la moindre opération de maintenance peut nécessiter de gros moyens.

1.5. Production optimale d'énergie

1.5.1. Loi de Betz

Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la figure 1.13 sur lequel on a représenté la vitesse du vent V₁en amont de l'aérogénérateur et la vitesse V₂ en aval.

(23)

14 Figure 1.13. Tube de courant autour d'une éolienne [11]

En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est égale à la moyenne entre la vitesse du vent non perturbé à l'avant de l'éolienne V₁ et la vitesse du vent après passage à travers le rotorV₂, soit

2

2 1 V

V 

, la masse d’air en mouvement de densité  traversant la surface S des pales en une seconde est : 2 ) (V₁ V₂ S m   ( 1.1)

La puissanceP , est donnée par la loi de Newton qui s'exprime par la moitié du produit de la masse et _m de la diminution de la vitesse du vent:

2 ) ( 22 2 1 V V m P_m  ( 1.2)

En remplaçant m par son expression dans (1.1) :

4 ) )( (V₁ V₂ V₁2 V₂2 S P_m     ( 1.3)

Un vent théoriquement non perturbé traverserait cette même surface Ssans diminution de vitesse, soit à la vitesseV1, la puissance P correspondante serait alors : mt

2

3 1

SV

P_mt   ( 1.4)

Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale théoriquement disponible est alors :

2 1 1 2 2 1 2 1                                    V V V V P P mt m ( 1.5)

(24)

15 La figure (1.14) représente la caractéristique correspondante à l'équation (1.5). On constate que le ratio

mt m P

P

appelé ; aussi coefficient de puissanceC , présente une limite égale à 0,59. Cette limite théorique _p appelée limite de Betz qui fixe la puissance maximale extractible pour une vitesse de vent donnée.

Figure 1.14. Coefficient de puissance pour différents types d'éoliennes

1.5.2. Caractéristique (puissance –vitesse) d'une éolienne de grande puissance

D'après la loi de Betz : La caractéristique de la puissance_vitesse d'une éolienne de grande puissance peut se décomposer en 04 zones principales (figure 1.15): [14]

Figure 1.15. Caractéristique : puissance – vitesse d'une éolienne de grande puissance

 Zone 01 : C'est la zone de démarrage de la machine; elle commence lorsque la vitesse

mécanique est supérieure à une certaine vitesse Ω_{cut_in}

 Zone 02 : Lorsque la vitesse de la génératrice atteint une valeur seuil, un algorithme de commande permettant l'extraction de la puissance maximale du vent est appliqué. Pour extraire le

(25)

16 maximum de la puissance; l'angle de pale est maintenu constant a sa valeur minimal .Ce processus jusqu'à atteindre une certaine valeur de la vitesse mécanique.

 Zone 03 : Au delà, l'éolienne fonctionne à vitesse constante, dans cette zone, la puissance de la génératrice atteints des valeurs plus importantes, jusqu'à 90% de la puissance nominale Pnom.

 Zone 04 : Arrivée à la puissance nominale Pnom ; une limitation de la puissance générée est

effectuée à l'aide d'un système d'orientation des pales : pitch control.Au delà de la vitesse Ω_{cut_out} ; un dispositif d'urgence est actionné de manière à éviter une rupture mécanique.

En pratique ; le passage de la zone 02 à la zone 04, est un peut particulier. En, la vitesse de rotation est contrôlée par le couple électromagnétique C_em en zone 02 et en zone 04; c'est la puissance qui doit être contrôlée par le dispositif d'orientation des pales.

1.5.3. Systèmes des régulations de la vitesse de rotation de l'éolienne

1.5.3.1. Système à décrochage aérodynamique "stall"

Les éoliennes à décrochage aérodynamique (stall) génèrent une puissance électrique variable dont la valeur maximale correspond en général à la puissance nominale de la machine. En dessous de cette valeur, la puissance fournie croit avec la vitesse du vent. Au-delà, la puissance fournie décroît avec la vitesse du vent (figure 1.16)

Figure 1.16.Génération à puissance électrique variable (Pales fixes, décrochage aérodynamique) On définit

P_n : la puissance nominale de I ‘éolienne.

v₀: la valeur de vitesse pour laquelle le rotor de la turbine commence a tourné.

v_n : la valeur de vitesse pour laquelle la puissance nominale est atteinte.

Ce système est simple et relativement fiable mais il manque de précision car il dépend de la masse volumique de l'air et de la rugosité des pales donc de leur état de propreté. Il peut, dans certains cas, être amélioré en autorisant une légère rotation de la pale sur elle-même (système "stall actif") [5] permettant ainsi de maximiser l’énergie captée pour les faibles vitesses de vent.

(26)

17

1.5.3.2. Système d'orientation des pales "pitch"

L’utilisation d’un système d’orientation des pales permet, par une modification aérodynamique, de maintenir constante la puissance de la machine en fonction de la vitesse du vent et pour une vitesse de vent supérieure a v_n (figure 1.17) [6].

Figure 1.17. Génération à puissance électrique constante (Pales orientables)

Avec

V_f : la vitesse pour laquelle le générateur commence à fournir de la puissance.

V_hs: la valeur de la vitesse pour laquelle la machine doit être arrêtée

1.5.4. Coûts de l’énergie éolienne

Les facteurs suivants déterminent le coût de l’énergie éolienne :  Le coût initial de l’éolienne et de son installation.

 Le taux d’intérêt à payer sur l’argent investi.  La quantité d’énergie produite.

(27)

18 Figure 1.19. Proportions des coûts d’investissement en offshore [7]

1.6. Avantages et les inconvénients de l'énergie éolienne

1.6.1. Avantages

C’est une source d’énergie renouvelable et inépuisable, non polluante et avec un faible impact sur l’environnement. Elle a également les avantages suivants: [8]

Création d’emploi : L’entretien d’un parc éolien crée un seul emploi, mais l’étude, la fabrication, le montage et la maintenance d’un projet éolien génère plusieurs dizaines d’emplois.

Attrait touristique : C’était au départ une conséquence qui n’avait pas été envisagée. Les touristes viennent parfois de loin pour observer et s’informer sur les éoliennes.

Taxes : Un autre avantage pour la région, les taxes professionnelles et foncières payées par les exploitants du parc éolien.

Environnement : Une éolienne ne produit aucun rejet nocif pour la santé et l’environnement, ni pour les riverains, ni pour les générations futures. Elle permet surtout de créer de l’électricité totalement propre.

_ Il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment durable et propre. _ Elle ne nécessite aucun carburant.

_ Elle ne crée pas de gaz à effet de serre._ Chaque mégawatt-heure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO₂ rejetées chaque année par la production d’électricité d'origine thermique.

_ Lorsque de grands parcs d’éoliennes sont installés sur des terres agricoles, seulement 2 % du sol environ est requis pour les éoliennes.

_ Les propriétaires fonciers reçoivent souvent un paiement pour l’utilisation de leur terrain, ce qui augmente leur revenu ainsi que la valeur du terrain.

(28)

19 _ La propriété des aérogénérateurs par des particuliers et la communauté permet aux gens de

participer directement à la conservation de notre environnement.

_ Elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs car une éolienne est constituée principalement de métal et de matière plastique.

_ Une éolienne est en grande partie recyclable car construite en acier. Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans), elle est entièrement démontable.

1.6.2. Inconvénients

 Le principal inconvénient est le coût élevé d’un projet éolien (de l’étude à l’exploitation).

 La réception des ondes hertziennes peut être perturbée, ce qui provoque une image bruitée sur les récepteurs de télévision.

 Les éoliennes peuvent constituer pour la migration des oiseaux un obstacle mortel.

 Les parcs éoliens produisent des interférences avec les radars et en particulier avec les radars météorologiques. En effet, les éoliennes peuvent constituer un obstacle à la propagation de l'onde.

 Par son principe de fonctionnement même, une éolienne absorbe l'énergie du vent et le rend turbulent, créant ainsi un effet de sillage jusqu'à dix diamètres de rotor derrière elle. [8]

1.7. Conclusion

Nous avons vue dans ce chapitre, domaine une brève description du des énergies renouvelables les différentes ressources de la production de l’énergie électrique avec quelques chiffres statiques du développement de cette dernière.

Après un rappel sur les notions fondamentales d’un système éolien avec les équations qui s'y rapportent. Puis on’ a traitée les deux points suivants : Loi de Betz ; La caractéristique de la puissance -vitesse d'une éolienne ; Systèmes de régulation de la vitesse de rotation ont été aussi décrits (la production optimal de l’énergie). Finalement; on’ a citée ces avantages et ces inconvénients. Chapitre suivant sera consacré à la description de la conversion électromagnétique.

(29)

CHAPITRE 02 CONVERSION D’ENERGIE EOLIENNE

20

Chapitre 02

C

ONVERSION

D’

ENERGIE

E

OLIENNE

:

M

ODE

D

E

F

ONCTIONNEMENT

E

T

M

ODELISATION

2.1. Introduction

Une éolienne a pour rôle de convertir l’énergie cinétique du vent en énergie électrique. Ses différents éléments sont conçus pour maximiser cette conversion énergétique et, d’une manière générale, une bonne adéquation entre les caractéristiques couple/vitesse de la turbine et de la génératrice électrique est indispensable. Pour parvenir à cet objectif, idéalement, une éolienne doit comporter :

 un système qui permet de la contrôler mécaniquement (orientation des pales de l’éolienne, orientation de la nacelle).

 un système qui permet de la contrôler électriquement (Machine électrique associée a l’électronique de commande).ce chapitre consiste deux parties :

Dans un premier temps ; nous allons présenter un état de l’art sur les principaux modes de fonctionnement d'une éolienne, à savoir : la vitesse (éolienne à vitesse fixe ou variable) tenant compte les machines électriques et leurs convertisseurs associés. La seconde partie, on s’intéresse essentiellement à la modélisation globale de la chaîne de conversion de l’énergie éolienne grâce à l’utilisation des machines asynchrones de type MADA et les machines à cage d’écureuil.

2.2. Technologies des éoliennes

On peut classer les modèles en deux technologies suivant le mode de fonctionnement des éoliennes :

celles dont la vitesse est constantes et celles dont la vitesse sont variables. [9]

2.2.1. Eoliennes à vitesse fixe

Elles sont les premiers à avoir été développé, dont il existe plusieurs systèmes sont proposé parmi lesquels :

 Les éoliennes à vitesse fixe dotées d'une génératrice asynchrones à cage.

 Les éoliennes à deux vitesses fixes dotées d'une génératrice à cage à double stator. Les principaux avantages de fonctionnement à vitesse fixe sont cités comme suit : [12]

(30)

CHAPITRE 02

 Système électrique plus simple.  Plus grande fiabilité.

 Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne.  Pas besoin de système électronique de commande.

 Moins cher.

2.2.2. Eolienne à vitesse variable

L’éolienne à vitesse variable est une technologie qui se développe de plus en plus, pour être intégrée dans les réseaux de moyenne tension.

 Les éoliennes a vitesse variable équipées dune génératrice synchrone

 Les éoliennes a vitesse variable équipées dune génératrice asynchrone a double alimentation.  Les éoliennes à vitesse variable équipées machine a réluctance variable.

Fonctionnement à vitesse variable est conçu par les avantages suivants  Augmentation du rendement énergétique.

 Réduction des oscillations du couple dans le train de puissance.  Réduction des efforts subis par le train de puissance.

 Génération d’une puissance électrique d’une meilleure qualité

Figure 2.1. Rendement des éoliennes à vitesse fixe et à vitesse variable CONVERSION D

Système électrique plus simple.

Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne. Pas besoin de système électronique de commande.

Eolienne à vitesse variable

sse variable est une technologie qui se développe de plus en plus, pour être intégrée dans les réseaux de moyenne tension. Dont, il existe plusieurs systèmes à vitesse variable; on site

Les éoliennes a vitesse variable équipées dune génératrice synchrone.

Les éoliennes a vitesse variable équipées dune génératrice asynchrone a double alimentation. Les éoliennes à vitesse variable équipées machine a réluctance variable.

Fonctionnement à vitesse variable est conçu par les avantages suivants : [12] on du rendement énergétique.

Réduction des oscillations du couple dans le train de puissance. Réduction des efforts subis par le train de puissance.

Génération d’une puissance électrique d’une meilleure qualité

Rendement des éoliennes à vitesse fixe et à vitesse variable

ONVERSION D’ENERGIE EOLIENNE

21 Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne.

sse variable est une technologie qui se développe de plus en plus, pour être intégrée vitesse variable; on site :

Les éoliennes a vitesse variable équipées dune génératrice asynchrone a double alimentation. Les éoliennes à vitesse variable équipées machine a réluctance variable.

(31)

22 L’investissement nécessaire pour transformer le système à vitesse fixe en un système à vitesse variable est un compromis entre les frais financiers à investir et le revenu additionnel de l’extraction de l’énergie perdue avec le système à vitesse fixe.

Dans la figure (2.2) l’énergie annuelle extraite avec un système à vitesse constante (courbe2) représente 86% de l'énergie extraite avec un système à vitesse variable, (courbe 1). [13]

Figure 2.2. Energie annuelle produite en fonction de la vitesse du vent (1) avec un système à vitesse variable ; (2) avec un système à vitesse fixe (Pour un diamètre de 34m et une vitesse de vent moyenne de 8m/s).

Un autre inconvénient du système à vitesse constante, est la rigidité mécanique imposée par le multiplicateur. Le couple qui est produit par le rotor de la turbine n'est pas constant. Les fluctuations du couple ont pour conséquences des fluctuations sur la puissance transmise an rotor. Etant donné que la tension délivrée par la machine est constante, ces fluctuations apparaissent sur le courant injecté dans le réseau. Un dernier inconvénient qui s’ajoute aux précédents, est le bruit généré par la turbine en cas de vitesse fixe, Ce dernier représente un sérieux problème environnemental.

 Intérêt de la vitesse variable

La caractéristique générale de la puissance convertie par une turbine éolienne en fonction de sa vitesse est représentée sur la figure 2.3

(32)

23 Figure 2.3. Caractéristique de la puissance générée en fonction de la vitesse du vent

Pour une vitesse du vent V1et une vitesse mécanique de la génératrice on obtient une puissance

nominale P (point A). Si la vitesse du vent passe deV₁ à V₂, et que la vitesse de la génératrice reste inchangée (cas d’une éolienne a vitesse fixe), la puissance P₂ se trouve sur la 2ème_{caractéristique (point}

B). La puissance maximale se trouve ailleurs sur cette caractéristique (point C). Si on désire extraire la puissance maximale, Il est nécessaire de fixer la vitesse de la génératrice à une vitesse supérieure Ω₂. Il faut donc rendre la vitesse mécanique variable en fonction de la vitesse du vent pour extraire le maximum de la puissance générée.

Les techniques d’extraction maximale de puissance consistent à ajuster le couple électromagnétique de la génératrice pour fixer la vitesse a une valeur do référence (Ω_ref) calculée pour maximiser la puissance extraite.

2.3. Conversion électromécanique d’énergie éolienne

2.3.1. Structure de la conversion

Pour diminuer le coût d’une installation de production électrique, le choix de type de générateur et ces composants du système de conversion énergétique est de première importance, la ou dans le marché des éoliennes, Il existe plusieurs types des machines qui peuvent être utilisées comme génératrices aux bords des éoliennes suivant le cahier de charge.

La vitesse de rotation d'une turbine de vent est assez basse et doit donc être ajustée à la fréquence électrique du réseau. Ceci peut être fait de deux technologies :

 Une première technologie d’éoliennes : reposent sur des machines tournantes synchrones (plutôt a rotor bobiné pour les éoliennes connectées en moyenne tension) de petite vitesse, comportant donc un grand nombre de pôle.

(33)

24  Une seconde technologie d'éolienne : repose sur l’utilisation d’une machine asynchrone. D’une manière générale, cette dernière tourne à une vitesse beaucoup plus importante que la turbine éolienne. Il est alors nécessaire d‘adapter celle-ci à la vitesse de la turbine en intercalant un multiplicateur mécanique

2.3.2. Constructions de la conversion

En fonction de la puissance d'éoliennes et de l'utilisation souhaitée pour l'énergie produite, on rencontre dans la littérature de nombreuse chaîne de conversion, elle soit l’exploitation directe de l’énergie, soit le passage par un étage continu et éventuellement un stockage [4], [15], [16]. L’on peut distinguer deux constructions différentes de la conversion selon que l’on utilise :

2.3.2.1. Conversion mécanique → Electrique : Avec multiplicateur

Figure 2.4. Structure d'une éolienne avec multiplicateur

 Chaîne de conversion à étage continu

Le passage par un étage continu permet une plus grande liberté lors de la gestion de l’énergie produite par l’éolienne car on n’a pas de fréquence imposée. C’est un moyen très approprié pour une alimentation de laboratoire ou une habitation isolée qui possède des appareils fonctionnant directement en basse tension continue; de plus, Il est facile de stocker de l’énergie dans des batteries pour obtenir une source permanente.

Par contre, Il s’agit de se connecter au réseau alternatif, il faut y associer un onduleur ainsi que des filtres et des transformateurs qui permettront de convertir la tension continue en signal alternatif sinusoïdal. [4]

(34)

CHAPITRE 02

Figure 2.5. Schéma de principe des éoliennes à étage continu Connectées an réseau

 Machine à Courant Continu

Ce type de machine n’est utilisée que sur les éoliennes de très faible puissance (inférieure a 500W) pour charger des batteries et alimenter des installations d

utilisées sur les bateaux, en association avec des panneaux solaires. Pour une telle machine, les équations de fonctionnement sont simples. Elle comporte un stator portant le circuit inducteur (bobinages alimentés ou aimants permanents) excitation et un rotor constituant le circuit induit connecté aux bornes de sortie, via le système balais_collecteurs.

vitesse de rotation de l’éolienne et à la valeur du courant d’

présentent une excellente marge de variation de la vitesse de rotation, une bonne réponse dynamique et une excellente capacité de surcharge, mais elles sont chères et un grand poids.

 Machines synchrones

C‘est une machine de conception plus simple que la machine à courant continu. Son stator comporte des enroulements induits monophasés ou triphasés et son rotor porte un inducteur bobiné on à aimants permanents. Ici il n’y a plus de système balais_collecteurs. L’alimentation d

petite génératrice inversée en bout d’arbre

procédés traditionnels de production d'électricité, notamment dans ceux de très grande puissance (centrales thermiques, hydrauliques ou nucléaires). Les générateurs synchrones utilisés dans le domaine éolien, ceux de 500 kW à 2 MW sont bien plus chers que les générateurs à induction de la même taille. [20]

De plus l’inconvénient majeur des machines synchrone a rotor bobiné est la maintenance fréquente au niveau des bagues et balais. Ainsi, si l'alternateur est connecté au réseau, sa vitesse de rotation doit être rigoureusement un sous

de cette machine à un système éolien pose des problèmes pour maintenir la vitesse de rotation de CONVERSION D

Schéma de principe des éoliennes à étage continu Connectées an réseau

Machine à Courant Continu

Ce type de machine n’est utilisée que sur les éoliennes de très faible puissance (inférieure a 500W) pour charger des batteries et alimenter des installations de type station de mesure. Elles sont également utilisées sur les bateaux, en association avec des panneaux solaires. Pour une telle machine, les équations de fonctionnement sont simples. Elle comporte un stator portant le circuit inducteur ntés ou aimants permanents) excitation et un rotor constituant le circuit induit connecté aux bornes de sortie, via le système balais_collecteurs. La tension est proportionnelle à la vitesse de rotation de l’éolienne et à la valeur du courant d’excitation. Les éoliennes à courant continu présentent une excellente marge de variation de la vitesse de rotation, une bonne réponse dynamique et une excellente capacité de surcharge, mais elles sont chères et un grand poids.

conception plus simple que la machine à courant continu. Son stator comporte des enroulements induits monophasés ou triphasés et son rotor porte un inducteur bobiné on à aimants permanents. Ici il n’y a plus de système balais_collecteurs. L’alimentation de l’inducteur se fait par une petite génératrice inversée en bout d’arbre C’est ce type de machine qui est utilisé dans la plupart des procédés traditionnels de production d'électricité, notamment dans ceux de très grande puissance ydrauliques ou nucléaires). Les générateurs synchrones utilisés dans le domaine éolien, ceux de 500 kW à 2 MW sont bien plus chers que les générateurs à induction de la même taille.

De plus l’inconvénient majeur des machines synchrone a rotor bobiné est la maintenance fréquente au niveau des bagues et balais. Ainsi, si l'alternateur est connecté au réseau, sa vitesse de rotation doit être rigoureusement un sous-multiple de la pulsation des courants statiques. L'adaptation de cette machine à un système éolien pose des problèmes pour maintenir la vitesse de rotation de

25 Schéma de principe des éoliennes à étage continu Connectées an réseau

Ce type de machine n’est utilisée que sur les éoliennes de très faible puissance (inférieure a 500W) pour e type station de mesure. Elles sont également utilisées sur les bateaux, en association avec des panneaux solaires. Pour une telle machine, les équations de fonctionnement sont simples. Elle comporte un stator portant le circuit inducteur ntés ou aimants permanents) excitation et un rotor constituant le circuit induit La tension est proportionnelle à la éoliennes à courant continu présentent une excellente marge de variation de la vitesse de rotation, une bonne réponse dynamique et une excellente capacité de surcharge, mais elles sont chères et un grand poids.

conception plus simple que la machine à courant continu. Son stator comporte des enroulements induits monophasés ou triphasés et son rotor porte un inducteur bobiné on à aimants e l’inducteur se fait par une C’est ce type de machine qui est utilisé dans la plupart des procédés traditionnels de production d'électricité, notamment dans ceux de très grande puissance ydrauliques ou nucléaires). Les générateurs synchrones utilisés dans le domaine éolien, ceux de 500 kW à 2 MW sont bien plus chers que les générateurs à induction de la même taille.

De plus l’inconvénient majeur des machines synchrone a rotor bobiné est la maintenance fréquente au niveau des bagues et balais. Ainsi, si l'alternateur est connecté au réseau, sa vitesse de n des courants statiques. L'adaptation de cette machine à un système éolien pose des problèmes pour maintenir la vitesse de rotation de

(35)

CHAPITRE 02

l'éolienne strictement fixe et pour synchroniser la machine avec le réseau lors des phases de [11].

Figure 2.6. Machine synchrone connectée au réseau par un redresseur et un onduleur [20] Pour ces raisons, on place systématiquement une interface d'électronique de puissance entre le stator de la machine et le réseau (voir la figure précédente) ce qui permet d'autoriser un fonctionnement à vitesse variable dans une large plage de variation

On remplace souvent le bobinage d'un rotor par des derniers sont très coûteux, bien q

devient avec le temps plus fréquente. Cette configuration présente jusqu’à 3% des pertes et le dimensionnement des convertisseurs est fait suivant la puissance nominale de la machine

synchrone peut être associée de deux onduleurs à MLI qui permettent de fonctionner à vitesse variable et donc de maximiser la puissance (figure

Figure 2.7. Machine synchrone connectée au

Il existe plusieurs types de machines à aimants permanents qui sont destinées à l’énergie éolienne, des machines de construction standard (aimantation radiale) on génératrices discoïdes (champs axial), ou

CONVERSION D

l'éolienne strictement fixe et pour synchroniser la machine avec le réseau lors des phases de

Machine synchrone connectée au réseau par un redresseur et un onduleur [20] Pour ces raisons, on place systématiquement une interface d'électronique de puissance entre le stator de

eau (voir la figure précédente) ce qui permet d'autoriser un fonctionnement à vitesse variable dans une large plage de variation [13].

On remplace souvent le bobinage d'un rotor par des aimants permanents

derniers sont très coûteux, bien que leurs prix a tendance à s’abaisser a force de leur utilisation qui devient avec le temps plus fréquente. Cette configuration présente jusqu’à 3% des pertes et le dimensionnement des convertisseurs est fait suivant la puissance nominale de la machine

synchrone peut être associée de deux onduleurs à MLI qui permettent de fonctionner à vitesse variable et donc de maximiser la puissance (figure 2.7)

Machine synchrone connectée au réseau par l'intermédiaire de deux onduleurs [20] Il existe plusieurs types de machines à aimants permanents qui sont destinées à l’énergie éolienne, des machines de construction standard (aimantation radiale) on génératrices discoïdes (champs axial), ou

26 l'éolienne strictement fixe et pour synchroniser la machine avec le réseau lors des phases de connexion

Machine synchrone connectée au réseau par un redresseur et un onduleur [20] Pour ces raisons, on place systématiquement une interface d'électronique de puissance entre le stator de

eau (voir la figure précédente) ce qui permet d'autoriser un fonctionnement à vitesse

aimants permanents. Seulement, ces ue leurs prix a tendance à s’abaisser a force de leur utilisation qui devient avec le temps plus fréquente. Cette configuration présente jusqu’à 3% des pertes et le dimensionnement des convertisseurs est fait suivant la puissance nominale de la machine . La machine synchrone peut être associée de deux onduleurs à MLI qui permettent de fonctionner à vitesse variable

réseau par l'intermédiaire de deux onduleurs [20] Il existe plusieurs types de machines à aimants permanents qui sont destinées à l’énergie éolienne, des machines de construction standard (aimantation radiale) on génératrices discoïdes (champs axial), ou